本發(fā)明涉及一種用于原子陀螺的光彈調(diào)制控制器，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光彈調(diào)制驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)頻率和幅值控制的數(shù)字系統(tǒng)，屬于光彈調(diào)制技術(shù)的數(shù)字技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

慣性導(dǎo)航技術(shù)在國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域具有重要意義，而陀螺儀是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵傳感器。隨著量子精密測(cè)量技術(shù)的快速發(fā)展，基于原子自旋效應(yīng)的原子陀螺儀以其超高的理論精度，有望應(yīng)用于新一代戰(zhàn)略武器系統(tǒng)中。SERF原子自旋陀螺樣機(jī)采用PEM對(duì)檢測(cè)激光進(jìn)行相位調(diào)制，并要求PEM工作在小角度調(diào)制狀態(tài)，檢測(cè)陀螺輸出信號(hào)。

TudorN.Buican等人在2006年研制出了一種多PEM串接式諧振頻率跟蹤系統(tǒng)，理論上可以將多支路PEM穩(wěn)定在同一相位及頻率下，但實(shí)現(xiàn)難度大，且跟理論效果存在一定差距?，F(xiàn)在市面上已有的Hinds公司的商品PEM-100是通用PEM控制器，沒有專門為小角度調(diào)制應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)，在進(jìn)行小角度調(diào)制時(shí)不夠可靠，而且它的體積比較大，不利于SERF原子自旋陀螺樣機(jī)的集成化和小型化。北京航空航天大學(xué)研制的SERF原子自旋陀螺樣機(jī)在工作過程中，PEM會(huì)因?yàn)樽陨頍岷纳?dǎo)致自身溫度改變，固有頻率會(huì)因溫度的改變發(fā)生漂移，引起光彈調(diào)制的不穩(wěn)定和調(diào)制效率下降，因此要求PEM驅(qū)動(dòng)頻率要實(shí)時(shí)跟蹤諧振頻率。另外，樣機(jī)要求PEM工作在小角度調(diào)制狀態(tài)，也就是說要保證PEM相位調(diào)制幅度足夠小，在PEM帶寬范圍內(nèi)，PEM電流有效值可作為相位延遲調(diào)制幅度的度量，穩(wěn)定PEM電流有效值即可穩(wěn)定PEM相位延遲調(diào)制幅度。北京航空航天大學(xué)梁青等人于2015年在中國慣性技術(shù)學(xué)會(huì)第七屆學(xué)術(shù)年會(huì)上發(fā)表的《一種用于原子陀螺的PEM控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》中研制的用于原子陀螺的PEM控制器采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，雖短時(shí)間內(nèi)能達(dá)到與商品PEM-100大致相當(dāng)?shù)男阅?，但該模擬控制電路中鎖相環(huán)的壓控振蕩器采用廉價(jià)的貼片阻容元件來設(shè)定上下限頻率，實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)元件參數(shù)漂移比較嚴(yán)重，直接影響到了壓控振蕩器的下限頻率，嚴(yán)重的時(shí)候造成電路不能正常起振，即造成失鎖，并且該控制電路使用范圍窄，只能用于固定諧振頻率的PEM調(diào)制，如果要應(yīng)用于不同諧振頻率的PEM，需要更換電路中的電阻電容等器件，不利于控制電路長時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行。

因此，PEM需要專門的驅(qū)動(dòng)電路提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使驅(qū)動(dòng)信號(hào)滿足兩個(gè)要求，第一個(gè)是使驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率實(shí)時(shí)跟蹤PEM諧振頻率，以保持調(diào)制效率最高，第二個(gè)是穩(wěn)定電流有效值以穩(wěn)定PEM相位延遲調(diào)制幅度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：為了克服現(xiàn)有PEM控制器的不足，提供一種用于原子陀螺的光彈調(diào)制控制器，驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率實(shí)時(shí)跟隨PEM諧振頻率、穩(wěn)定PEM電流有效值的數(shù)字式PEM控制器，該數(shù)字式控制器能夠靈活地應(yīng)用于不同諧振頻率的PEM。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種用于原子陀螺的光彈調(diào)制控制器，由PEM電流電壓采樣模塊、A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊、FPGA數(shù)字化閉環(huán)控制模塊、高壓運(yùn)放模塊組成。其中電流電壓采樣模塊將流過PEM的電流和PEM兩端電壓進(jìn)行采樣和濾波，輸入至A/D轉(zhuǎn)換模塊；A/D轉(zhuǎn)換模塊將采樣得到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后輸送至FPGA數(shù)字化閉環(huán)控制模塊；FPGA數(shù)字化閉環(huán)控制模塊控制輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率跟蹤PEM諧振頻率，同時(shí)穩(wěn)定PEM的電流幅值，將輸出的信號(hào)送至D/A轉(zhuǎn)換模塊；D/A轉(zhuǎn)換模塊將FPGA輸出的數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)后送至高壓運(yùn)放模塊；高壓運(yùn)放模塊將由D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出的方波信號(hào)轉(zhuǎn)換為幅值被放大的同頻正弦信號(hào)，驅(qū)動(dòng)PEM工作。

所述的電流電壓采樣模塊中，通過電壓衰減電路和帶通濾波電路提取PEM兩端的電壓信號(hào)，通過電壓放大電路和帶通濾波電路提取流過PEM的電流信號(hào)。

所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊將采樣得到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后輸送至FPGA數(shù)字化閉環(huán)控制模塊。

所述的FPGA數(shù)字化閉環(huán)控制模塊選用Xilinx的Spartan6系列XC6SLX45-2CSG324FPGA作為核心處理器，包括跟蹤PEM諧振頻率模塊和穩(wěn)定PEM電流幅值模塊。其中，跟蹤PEM諧振頻率模塊是由PI控制器A、數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)和直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)組成的復(fù)合PI-DPLL-DDS頻率跟蹤方法，實(shí)現(xiàn)PEM驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)實(shí)時(shí)跟蹤PEM的諧振頻率；穩(wěn)定PEM電流幅值模塊根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字電流采樣信號(hào)，通過在FPGA內(nèi)進(jìn)行軟件編程計(jì)算出電流有效值，之后與設(shè)定的電流有效值進(jìn)行比較，輸入至PI控制器B，通過PI控制算法實(shí)現(xiàn)PEM電流有效值的穩(wěn)定。

所述的D/A轉(zhuǎn)換模塊將FPGA輸出的數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)后續(xù)高壓運(yùn)放模塊。

所述的高壓運(yùn)放模塊將由D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出的方波信號(hào)轉(zhuǎn)換為幅值被放大的同頻正弦信號(hào)，達(dá)到驅(qū)動(dòng)PEM的目的。

本發(fā)明的原理是：光彈調(diào)制器是由各項(xiàng)同性的光學(xué)晶體和壓電驅(qū)動(dòng)器組成、利用透明光學(xué)材料的光彈效應(yīng)制成的諧振式偏振調(diào)制器件。光學(xué)晶體和壓電驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過匹配，具有相同的機(jī)械諧振頻率，壓電驅(qū)動(dòng)器在交流電壓作用下產(chǎn)生周期性的機(jī)械振動(dòng)，帶動(dòng)光學(xué)晶體做受迫振動(dòng)，使光學(xué)晶體產(chǎn)生周期性雙折射，進(jìn)而使透過的偏振光的相位延遲量產(chǎn)生周期性變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)偏振光相位的調(diào)制。

當(dāng)PEM驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出頻率等于諧振頻率時(shí)，驅(qū)動(dòng)效率最高，但是環(huán)境溫度的變化和PEM自身的熱耗散會(huì)導(dǎo)致其諧振頻率發(fā)生漂移，如果采用固定頻率輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)PEM將不利于PEM長時(shí)間穩(wěn)定工作，因此PEM驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出頻率必須實(shí)時(shí)跟蹤諧振頻率，以保持最高的驅(qū)動(dòng)效率。通過分析PEM電學(xué)等效模型，可以得出PEM等效阻抗的相頻特性為：

其中，ω₀為PEM諧振頻率，ω為驅(qū)動(dòng)頻率。因此PEM等效阻抗相位與存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，改變等效阻抗相位就能改變的值，特別地，當(dāng)?shù)刃ё杩瓜辔粸?時(shí)，ω＝ω₀，驅(qū)動(dòng)頻率等于諧振頻率。PEM等效阻抗相位為0也就是PEM兩端電壓和電流的相位差為0，因此保持PEM兩端電壓與流過PEM的電流的相位差為0即可保證驅(qū)動(dòng)頻率跟蹤諧振頻率。

另外，在PEM帶寬范圍內(nèi)，PEM的機(jī)械振幅與電流幅值成正比，而PEM電流是正弦信號(hào)，其有效值可以作為電流幅值的度量，因此PEM電流有效值可作為相位延遲調(diào)制幅度的度量，穩(wěn)定PEM電流有效值即可穩(wěn)定PEM相位延遲調(diào)制幅度。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明一種用于原子陀螺的光彈調(diào)制控制器，除A/D、D/A轉(zhuǎn)換和高壓運(yùn)放外均采用FPGA進(jìn)行數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、自動(dòng)化程度高。與現(xiàn)有技術(shù)相比由于避免了模擬電路中元器件溫漂的影響，從而具備可靠性高、工作穩(wěn)定、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)。

(2)本發(fā)明通過PI控制、數(shù)字鎖相環(huán)和DDS技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合頻率自動(dòng)跟蹤方法，可以同時(shí)彌補(bǔ)PLL跟蹤頻率范圍窄、易出現(xiàn)誤跟蹤、容易失鎖以及DDS雜散抑制差的不足，結(jié)合PI控制、DPLL和DDS各自的優(yōu)點(diǎn)，利用PI控制實(shí)現(xiàn)頻率的粗調(diào)、DPLL實(shí)現(xiàn)頻率的精調(diào)、DDS輸出頻率等于諧振頻率的信號(hào)，以達(dá)到跟蹤頻率可調(diào)、跟蹤頻率范圍廣、跟蹤速度快、跟蹤精度高、滿足不同諧振頻率PEM的控制需求。

(3)本發(fā)明通過在FPGA內(nèi)用編程實(shí)現(xiàn)電流有效值的計(jì)算和利用PI算法實(shí)現(xiàn)電流有效值的穩(wěn)定，采用數(shù)字PI控制可以避免模擬PI調(diào)節(jié)的繁瑣過程，提高PI調(diào)節(jié)的速度和精度，使PEM相位延遲調(diào)制幅度能夠穩(wěn)定。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成框圖；

圖2為本發(fā)明的信號(hào)采集與AD轉(zhuǎn)換原理框圖；

圖3為本發(fā)明的FPGA數(shù)字化閉環(huán)控制模塊組成框圖；

圖4為本發(fā)明的高壓運(yùn)放電路原理圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明包括電流采樣模塊1、A/D轉(zhuǎn)換模塊2、電壓采樣模塊3、FPGA數(shù)字化閉環(huán)控制模塊4，D/A轉(zhuǎn)換模塊5，高壓運(yùn)放模塊6。其中電流采樣模塊1通過采樣電阻將流過PEM的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)并進(jìn)行放大和帶通濾波后，輸入至A/D轉(zhuǎn)換模塊2；A/D轉(zhuǎn)換模塊2將采樣得到的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后輸送至FPGA數(shù)字化閉環(huán)控制模塊4；同理，電壓采樣模塊3將PEM兩端電壓進(jìn)行采樣和帶通濾波后，輸入至A/D轉(zhuǎn)換模塊2；A/D轉(zhuǎn)換模塊2將采樣得到的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后輸送至FPGA數(shù)字化閉環(huán)控制模塊4；FPGA數(shù)字化閉環(huán)控制模塊4控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出的頻率跟蹤PEM諧振頻率，同時(shí)穩(wěn)定PEM的電流幅值，將輸出的信號(hào)送至D/A轉(zhuǎn)換模塊5；D/A轉(zhuǎn)換模塊5將FPGA輸出的數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)后送至高壓運(yùn)放模塊6；高壓運(yùn)放模塊6將由D/A轉(zhuǎn)換模塊5輸出的方波信號(hào)轉(zhuǎn)換為幅值被放大的同頻正弦信號(hào)，驅(qū)動(dòng)PEM。

如圖2所示，本發(fā)明的PEM電流電壓信號(hào)采集與A/D轉(zhuǎn)換過程為:將PEM驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)通過電壓衰減和帶通濾波后變?yōu)榉荡笮『线m的正弦交流電壓，再通過A/D轉(zhuǎn)換模塊2轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；PEM電流經(jīng)過采樣電阻后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過電壓放大和帶通濾波后變?yōu)榉荡笮『线m的正弦交流電壓，再通過A/D轉(zhuǎn)換模塊2轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。之后，兩路分別從ADC輸出的帶有PEM電流、電壓信息的數(shù)字信號(hào)輸入至FPGA數(shù)字化閉環(huán)控制模塊4，以供FPGA進(jìn)行后續(xù)處理。

如圖3所示，本發(fā)明的FPGA數(shù)字化閉環(huán)控制模塊4由數(shù)字鑒相器9、PI控制器A10、數(shù)字鎖相環(huán)11、頻率控制字程序12、直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)13、電流有效值計(jì)算程序14、電流有效值PI控制器B15組成。其中，數(shù)字鑒相器9、PI控制器A10、數(shù)字鎖相環(huán)11、頻率控制字程序12、直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)13共同組成PEM諧振頻率跟蹤模塊7，數(shù)字鑒相器9通過檢測(cè)PEM驅(qū)動(dòng)電壓和電流的采樣數(shù)字信號(hào)的上升沿，產(chǎn)生與PEM電流、電壓相位差成正比的電壓信號(hào)。將這個(gè)相位差電壓信號(hào)與已經(jīng)設(shè)計(jì)好的一個(gè)相位誤差設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)相位誤差大于誤差設(shè)定值時(shí)，利用PI數(shù)字控制器A10進(jìn)行相位誤差修正，依靠閉環(huán)控制快速地將相位誤差減小到數(shù)字鎖相環(huán)11的鎖相范圍；當(dāng)PEM電流、電壓相位誤差小于誤差設(shè)定值時(shí)，利用數(shù)字鎖相環(huán)11進(jìn)行快速頻率跟蹤控制。從PI數(shù)字控制器A10或數(shù)字鎖相環(huán)11輸出的控制信號(hào)輸入至頻率控制字程序12，產(chǎn)生合適的頻率控制字控制直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)13產(chǎn)生輸出頻率等于PEM諧振頻率的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)PEM諧振頻率的跟蹤。電流有效值計(jì)算程序14、電流有效值PI控制器B15組成PEM電流幅值穩(wěn)定模塊8，將PEM電流采樣數(shù)字信號(hào)輸入至電流有效值計(jì)算程序14，有效值計(jì)算程序14根據(jù)一個(gè)采樣周期內(nèi)的n個(gè)采樣點(diǎn)的采樣值X_i(i＝1，2，...，n)，求出n個(gè)采樣值X_i(i＝1，2，...，n)的平方和的平均值，所得結(jié)果是在一個(gè)采樣周期內(nèi)采樣值的有效值，為了提高計(jì)算精度，可以計(jì)算m個(gè)采樣周期的有效值取平均后作為最終的有效值計(jì)算結(jié)果，其中最終的有效值計(jì)算公式為之后將X_RMS與設(shè)定的電流有效值參考信號(hào)一起輸入至PI控制器B15，通過PI控制算法產(chǎn)生合適的控制電壓輸入至直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)13，實(shí)現(xiàn)對(duì)PEM電流幅值的穩(wěn)定。這樣，由直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)13產(chǎn)生頻率跟蹤諧振頻率、幅值穩(wěn)定的輸出信號(hào)，輸入至D/A轉(zhuǎn)換模塊5。FPGA芯片選用Xilinx的Spartan6系列的XC6SLX45-2CSG324FPGA，并采用VerilogHDL語言進(jìn)行編程。

如圖4所示，本發(fā)明的高壓運(yùn)放模塊6接收來自D/A轉(zhuǎn)換模塊5輸出的頻率跟蹤諧振頻率、幅值穩(wěn)定的正弦信號(hào)，通過由OPA561和LC組成的諧振升壓電路產(chǎn)生高壓驅(qū)動(dòng)信號(hào),其中，OPA561是一個(gè)具有大電流輸出能力的高速運(yùn)算放大器，能夠輸出可以驅(qū)動(dòng)LC升壓電路的大電流。LC串聯(lián)諧振頻率為在選擇L、C值時(shí)應(yīng)該滿足等于PEM諧振頻率。

總之，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)光彈調(diào)制驅(qū)動(dòng)頻率跟蹤諧振頻率，使光彈調(diào)制器工作效率最高；同時(shí)穩(wěn)定光彈調(diào)制電流幅值，以保證光彈調(diào)制器工作在小角度調(diào)制狀態(tài)。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。